（光学工程专业论文）轻型客车防抱制动系统的仿真研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究7 1 ：作及取得的研究成粜。据 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得 盒坦王些态堂或其他教育机构的学位或证书而使刚过的 材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 ! j 确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名 晦r 毯宿 签字口期：d j 年o 均t f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵兰些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复e n f b l n 磁盘，允许论文被蠢阅和借阅。本人授权合肥 些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权is ) 学位论文作者签名 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：，弓芎乃锡莎导师签名：一另巧笈7 矿 j 签字日期：年 月| 1 也衍 邮编 轻型客车防抱制动系统的仿真研究 摘要 防抱制动系统( a b s ) 是一种在制动时能自动调节制动管路压力，使车轮不致 抱死，以提高汽车行驶稳定性和制动安全性的制动力调节系统。本文结合江淮汽 车底盘股份有限公司生产的h f c 6 7 0 0 轻型客车，建立该车制动过程的仿真数学 模型，主要包括：整车模型、制动器模型、轮胎模型和a b s 模型。运用 m a t 。a b s i m u l t n k 软件，对基于逻辑门限控制方法的防抱制动过程进行了计 算机模拟，并分析了路面、初速、制动力矩变化率、延迟时间、转动惯量及裁荷 等因素对逻辑门限控制a b s 的影响。 建立基于车轮加减速度门限值的a b s 模糊控制器的数学模型和模糊控制仿 真模型，给出参考车速概念和模糊控制规则表，并对t a k a g is u g e n o 推理的胴s 模糊控制系统进行了仿真。 关键词：轻型客车防抱制动系统模糊控制仿真研究 s i m u l a t i o ns t u d yf o r a n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e mo fal i g h tb u s a b s t r a c t a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sak i n do fe q u i p m e n t ，w h i c hc a na d j u s tt h e b r a k i n gf o r c ea u t o m a t i c a l l y , a v o i d i n gt h el o c k u po fw h e e l s i tc a np r o v i d ed i r e c t i o n a l s t a b i l i t ya n ds t e e ra b i l i t yo fv e h i c l e sa n da l s oe n h a n c et h eb r a k i n gs a 传t ya t i e r i l l u s t r a t i n gt h ef o r m a t i o n ，t y p ea n dp r i n c i p l eo fa b s ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo f h f c 6 7 0 0l i g h tb u sr e l a t e dt oa b si se s t a b l i s h e d ，w h i c hc o n s i s t so fv e h i c l em o d e l b r a k em o d e l t i r em o d e la n da b sm o d e l t h ea n t i l o c kb r a k i n gp r o c e s s e sb a s e do n l o g i ct h r e s h o l dc o n t r o la r es i m u l a t e di nt h ee n v i r o n m e n to fm a n 。a b s i m u i i n k s o f t w a r et h ei n f l u e n c e so nl o g i ct h r e s h o l de o n t r o ia b sb vt h ef a c t o r ss u c ha sr o a d c o n d i t i o n ，i n i t i a lv e l o c i t y , t h ec h a n g i n gr a t eo fb r a k i n gt o r q u e ，d e l a yt i m e i n e r t i aa n d l o a da r ed i s c u s s e da tt h es a m et i m e am a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss i m u l a t i o nm o d e lo ff u z z yc o n t r o lb a s e do nw h e e l a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nl o g i ct h r e s h o l dc o n t r o la r ep r e s e n t e d ac o n c e p to f r e f e r e n c ev e l o c i t yi si n t r o d u c e d a n daf u z z yr u l ec o n t r 0 1t a b l ei se s t a b l i s h e d k e y w o r d s ：l i g h tb u s a b s f u z z yc o n t r o l s i m u l a t i o n 致谢 在这里，我首先要感谢我的导师方锡邦副教授对我课题所做的指导，在他 的指导下，我的课题和论文得以顺利完成。我在攻读硕士学位期间所取得的每 一点进步都离不开导师的指导、关心和帮助。 感谢教研室其他老师和同学的帮助。 感谢我的妻子和我的家人，是她们给予了我无尽的支持，解决r 我的后顾 之忧，以至我能全身心地投入到课题和论文中。 向所有关心帮助我的人们表示我衷心的谢意 任国清 2 0 0 3 年7 月2 6 酬 插图清单 图2 1 典型防抱制动系统示意图8 图2 2 基于车轮加减速度逻辑门限值控制方法的a b s 系统油压控制循环图l o 图2 3 车轮在制动时受力状况i l 图2 4 制动过程中地面制动力、制动器制动力以及附着力之问的关系】2 图2 5 典型附着系数一滑移率曲线1 3 图3 1 整车及轮胎受力分析1 6 图3 2 附着系数分析图( 初速4 0 k m h 、空载、脱档、干燥混凝上路) 1 9 图3 3 纵向附着系数一滑移率曲线2 l 图4 1 仿真总体模块图2 5 图4 2 轮胎仿真模型2 5 图4 3 车轮动力学模型模块2 6 图4 4 逻辑控制的a b s 控制器2 8 图4 5p 1 r 4 控制逻辑流程图2 7 图4 6 初速4 0 k m h ，无a b s 汽车在干混凝土( 左侧) 图 图 图 图 和压实雪路( 右侧) 上的情况3 0 7 初速4 0 k m h ，p 1 r 4 在干混凝土路面上的工作情况3 l 8 初速4 0 k m h ，p i r 4 在压实雪路面上的工作情况3 2 9 初速4 0 k m h ，p 1 r 2 在于混凝土路面上的工作情况3 3 1 0 初速4 0 k m h ，p 1 r 2 在压实雪路面上的= ：作情况3 4 图4 1 i 初速4 0 k m h ，p 2 r 4 在于混凝士路面上的工作情况 图4 t 2 初速4 0 k m h ，p 2 r 4 在压实雪路面上的工作情况t 图4 1 3 初速6 0 k m h ，p 1 r 4 逻辑在干混凝土路而上的工作情况 图4 1 4 初速6 0 k m h ，p 1 r 4 逻辑在压实雪土路面上的工作情况 图4 1 5 不同转动惯量时的a b s 调节过程一 图4 1 6 模糊控制系统框图 图4 1 7 基于车轮加减速度门限值的a b s 模糊控制系统结构示意图 幽4 1 8 车轮加减速度与车轮运动状态的估计- 图4 1 9 参考车速计算一 图4 2 0 右后轮参考车速的仿真计算- - 图4 2 l 车轮加减速度d e 的隶属度 图4 2 2 车轮加减速度变化率d e c 的隶属度一 图4 2 3 车轮加减速度变化率d e c 的隶属度- - 图4 2 4 输出油压变化率p 的隶属度- 髑芝弓坼髑们甜钙蛎钉钉船勰 ：一| 图4 2 5 基于车轮加减速度门限值的a b s 模糊控制器的仿真结构图4 9 图4 2 6 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 干燥混凝七 路面上直线制动时轮速与车速的仿真结果5 1 图4 2 7 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 下燥混凝 路面上直线制动时滑移率仿真结果5 j 图4 2 8 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m ，h ：f 燥混凝 路面上宜线制动时控制油压仿真结果j 2 图4 2 9 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度8 0 k m h 干燥混擞【： 路面上直线制动时轮速与车速仿真结果j 2 图4 3 0 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度8 0 k m h 干燥混凝土 路面上直线制动时滑移率仿真结果5 ：3 图4 3 1 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度8 0 k m h 干燥混凝h 路面上直线制动时控制油压仿真结果5 3 图4 3 2 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 湿沥青 路面上直线制动时轮速与车速仿真结果j 4 图4 3 3 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 湿沥青 路面上直线制动时滑移率仿真结果j 4 图4 3 4 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 湿沥青 路面上直线制动时控制油压仿真结果5 5 图4 3 5 基于s u g e r l o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 雪 路面上直线制动时轮速与车速仿真结果5 j 图4 3 6 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 雪 路面上直线制动时滑移率仿真结果5 6 图4 3 7 糕j ：s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度4 0 k m h 雪 路面上直线制动时控制油压仿真结果5 6 图4 ，3 8 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度8 0 k m h 由干燥混凝土 路面到雪路面的突变路面上直线制动时轮速与车速仿真结果5 7 图4 3 9 基于s u g e n o 推理的a b s 模糊控制系统在初速度8 0 k m hf 自干燥混凝二f ： 路面到雪路面的突变路面上直线制动时滑移率仿真结果5 7 图5 】测量原理图6 1 图5 2 左前扭矩标定曲线6 2 图5 3 右前扭矩标定曲线6 2 图5 4 左后扭矩标定曲线6 3 图5 5 右后扭矩标定曲线6 3 图5 6 制动试验总体布置图6 5 图5 7 数据采集处理流程图6 6 图5 8 转速脉冲信号处理框图 图5 9p 1 r 4 逻辑仿真结果与无a b s 制动试验结果比较( 后轮) 图5 1 0p 1 r 2 逻辑仿真结栗与无a b s 制动试验结果比较( 后轮) - 图j 1 1p 2 r 4 逻辑仿真结果与无a b s 制动试验结果比较( 后轮) - 6 6 6 7 - 一6 8 6 8 表格清单 表3 1 典型路面附着系数2 2 表4 1 本文采用的预选复选条件”2 6 表4 2 不同初速与路面下的仿真结果3 9 表4 3 不同制动力矩变化率时的仿真结果4 1 表4 4 不同延迟时间的仿真结果4 2 表4 5 转动惯量变化时的仿真结果4 2 表4 6 不同载荷下的仿真结果4 3 表4 7 基于车轮加减速度门限值的前轮a b s 模糊控制规则表4 9 表4 8 基于车轮加减速度门限值的后轮a b s 模糊控制规则表5 0 表5 1h f c 6 7 0 0 客车一些复杂部件转动惯量的实测值6 1 表5 2 制动性能道路试验记录6 4 第一章绪论 车辆的制动性能是其重要性能之一，它直接关系剖交通的安全。重大交通事 故的发生，往往与制动距离过长、紧急制动时车轮抱死发生侧滑、甩尾、失去方 向稳定性等情况有关，1 0 左右的交通事故是由于制动时车轮抱死而使车辆失去控 制所至。 防抱制动系统( a n t 卜l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称a b s ) ，是綦于车辆轮胎与 路面之间的附着性能随滑移率改变的基本原理而开发的高技术装置，它从防l 盱制 动过程中车轮“抱死”的角度出发，避免车辆后轮侧滑和前轮丧失转向能力，提 高车辆对地面附着能力的利用率，从而达到改善车辆制动稳定性、操纵性和缩短 制动距离等目的。德国汉诺威交通事故研究组对1 8 2 起商用车交通事故的分析表 明，使用a b s 能够完全避免7 1 的交通事故，减轻1 3 9 的材料损失和t 7 4 的 人员伤害【2 “，显然，a b s 能够提高车辆安全性，具有明显的社会效益和经济效益。 我国的道路交通条件较发达国家有一定的差距，事故发生率较高，装用a b s 对减 少交通事故和减轻事故损失具有重要的意义。 11 a b s 发展的现状 1 1 1 国外a b s 的发展概况 2 0 世纪初，原始的a b s 装置就安装在铁路机车上，用于减少车轮的磨损。在 3 0 年代，机械式a b s 开始在火车和飞机上应用，德困博世( b o s c h ) 公司在1 9 3 6 年第一个获得通过电磁式车轮转速传感器得到车轮转速的制动防抱死2 号利权，这 是a b s 系统发展史上的一个早程碑| 4 j 。 在第二次世界大战的末期，a b s 装置被用于喷气式飞机上，目的在于、s 机着 陆时，防止车轮抱死和严重磨损，并保持直线行驶性能。5 0 年代末期，g o o dy e a r 等公司开发出的防抱制动装置，根据车轮的减速情况，阶段性地控制液压，并采 用了初期的电子计算机，使得a b s 的性能得到了很大的改善。1 9 5 4 年美翻f o d 公司首次把民航机上的a b s 应用在林肯牌轿车上，这次试验虽然以失败向告终， 但揭开了汽车应用a b s 的序幕 6 1 。鉴于当时的电子工业和机械工业的发展水平所 限，a b s 的控制性能和可靠性较差，而且价格很高。 随着电子技术的发展，在6 0 年代后期和7 0 年代初期，些电子控制的制动 防抱系统开始进入产品化阶段。这一时期的a b s 系统采用的控制器是模拟电路， 驱动装置为电磁阀，控制系统反应速度慢，控制精度低，未达到预期的控制效果。 进行7 0 年代后期，数字式电子技术和大规模集成电路的发展为a b s 的实用化奠定 了基础。b o s c h 公司在1 9 7 8 年开发出数字式电子控制a b s ，揭开了现代防抱制动 系统发展的序幕 6 1 。自从8 0 年代中期以来，a b s 控制器不断更新换代，体积越来 越小，功能越来越强，控制逻辑更加合理，并具有自适应性和故障自诊断功能， a b s 向着提高性能成本比的方向发展。g o 年代阻后，a b s 技术已| = = f 趋成熟，制造 成本不断降低，使得a b s 迅速普及。目前，最著名的a b s 开发公司有b o s c h 、w a b c o 、 i t t l 、e v e s 、d e l c o 和l u c a s 等。 目前，在美国、西欧、只本等发达国家和地区，a b s 已经成为轿车的标准设 备，装车率达到1 0 0 ：在大型客车和货车上，a b s 的应用也日益普及。随着车辆 动力学、计算机技术和电子技术的发展，a b s 一方面向提高性能价格比方向发展； 另一方面，与驱动防滑装置( a s r ) 相集成，并与主动悬架、电子转向控制等系统 构成综合控制装置。 1 1 2 我国a b $ 的发展情况 我国剥a b s 的研究开始于2 0 世纪8 0 年代初，现在已避入产品试制和在车辆 上试装的阶段，a b s 的研究项目被列入“九五”科技攻关计划。我国检验a b s 产 品的国家标准g b l 3 5 9 4 9 2 汽车防抱制动系统性能要求和试验方法等效采用了 联合国欧洲经济委员会( e c e ) 的汽车制动法规r 1 3 的附件1 3 采用制动防拖装 置的车辆的试验要求。 目前，国内a b s 的研究单位也有不少，如：东风汽车公司、交通部重庆公司 路研究所、重庆宏安a b s 有限公司、陕西博华、西安公路学院和清华大学等。国 产a b s 的主要问题是路面识别不够理想、可靠性较差和性能价格比较差t 3 1 ，增强 国产a b s 的竞争能力，迫切需要对a b s 的关键技术( e c u 和控制软件等) 进行深 入的研究。 1 2 a b s 控制技术的发展 车辆的行驶环境复杂，本身又是一个复杂的非线性系统( 比如轮胎特性的非 线性、制动器的非线性和悬架的非线性等) ，加之由于轮胎磨损、制动器摩擦片的 磨损、车速变化和载荷变化等因素，使系统呈现很强的时变性。这些都给防抱控 制逻辑的设计带来很大困难。 目前，较实用的a b s 大多采用逻辑门限控制方法。随着车辆动力学、计算机 技术、电子技术和自动控制理论的发展，国内外很多学者对防抱制动控制t f 的控 制方法进行了研究，以探索更为有效可行的控制策略。防抱控制逻辑_ i 向着多元 化的方向发展，如p i d 控制、最优控制、滑模变结构控制、模糊控制和神经网络 控制等，但大都处于研究阶段。 1 2 1 逻辑门限控制 防抱制动系统发展至今，大多数a b s 产品都采用角加减速度门限，并附加- - 些辅助门限进行控制。 y e he d g ec 等人在非线性系统的相平面分析法研究的基础上，发展了一种分 析防抱制动特性的共轭边界分析方法，并对g t m t u r 等人提出的，l 种a b s 准则，。生 极限环的存在性和稳定性进行了详尽的分析。根据简化的单轮车辆模型，确定一一 些门限值的计算公式，他认为p 2 r 4 ( p 2 一曲 k ，r 4 ：亩 k 。) 边界条件的组合 是最佳的防抱逻辑口j 。程军采用数值计算方法研究表明p 2 r 4j “生的极限环是十分 稳定的，但是边界值和车辆的参数密切相关，而边界值的选取对极限环的人小和 位置有很大的影响，选择不当时，极限环就会稳定在较小或较大的滑移率处，使 得防抱制动效果不理想，由于车辆的时变特性，边界值的选取很困难。文献。1 以相平面理论和自行研制的实时硬件闭环模拟系统为工具，刘实际防抱控制算法 进行了相平面分析和试验验证。提出了以防抱两循环之间车轮速度恢复的最高点， 作为车体减速度计算点的参考滑移率计算方法：对于防抱第一循环设计了压力阶 梯上升策略，在车轮达到较小减速度门限时进行保压，进入第二减速度门限，然 后继续升压直至达到规定的减速度门限，这样保证第一循环的轮速波动不至于过 大。另外，国内外很多学者还提出了些新的门限控制逻辑算法i h 2 1 ，适应不同 车辆和条件的需要。 逻辑门限控制方法不涉及具体的数学模型，对于非线性系统是一种有效的控 制方法，实施时不需要测量车速，对系统的硬件要求低，成本低，所以获得了厂 泛的应用，但是系统的控制逻辑比较复杂，调试比较困难，轮速波动较大。 1 2 2p ld 控制 数字p i d 方法是自动控制领域最常用的控制算法。文献呻i 采用两个增最p i 控制，构成串级控制系统，内环为压力控制，外环为滑移率控制，在4 i 间的条件 f 采用不同的p i 参数。模拟结果表明p i d 控制控制精度较好，但是响应较慢，控 制参数需要在很多时间和精力调试。该控制器实施时，不仅要测量滑移率，而i 内环的压力控制要求增加测量压力的装置，实施成本高。而文献i ”1 认为简单| ) i f j 控制不能满足防抱制动控制的要求。 p i d 控制适用于线性系统和非线性不严重的系统，而且控制参数的凋节较困 难，难以实现对制动系统的良好控制。 1 23 最优控制 最优控制是基于状态空间法的现代控制方法。日本田部力等设汁了一一科，基一- ： 最优控制的防抱控制系统1 。它根据车辆一地面系统的数学模型，以峰值附着系 数处的车轮速度作为系统的期望输出值，以控制系统的能量消耗最小和实际输出 与期望输出的误码率差最小为目标函数。模拟结果和试验结果表明，该控制算法 获得了良好的控制特性，但是要达到实用化必须解决成本问题。根据变结构控制 适应于非线性系统控制的特点，文献”6 l 将最优控制和变结构控制相结合设讨了最 优变结构控制的防抱控制系统，在小滑移率范围内采用最优控制，在大滑移率范 围内切换到变结构控制，以协调控制系统的鲁棒性和控制精度的矛盾。 基于现代控制理论的最优控制，是一种基于模型的分析型控制系统，控制系 统的优劣大大依赖于数学模型的精度。由于制动系统的非线形和时变性，所建迂 的数学模型与实际工况有一定的差距，因而最优控制理论方法的控制质量很难保 证，并目最优控制方法需要测量车体速度，难以降低成本。 1 2 4 滑模变结构控制 滑模变结构控制以经典的数学控制理论为基础，增强了系统的不确定性和控 制器对外部扰动的抗干扰，具有很强的内在自适应性。张陵、诸德陪对抱死制动 滑移模式控制律进行了理论研究，以实际滑移率和理想滑移率之差为滑移换节曲 线，以理想开关的方式切换制动力矩状态( 如增加状态和减压状态) ，使系统在滑 移换节曲线很小的领域内沿着滑移换节曲线滑动1 1 7 1 。研究结果表明滑模控制存一 定程度上改善了制动过程中乘客的不舒适感，制动效率较高，但滑移状态轨迹在 预期目标附近有一抖动。a n d r e w a t l e y n e 将滑模控制应用于制动系统和悬架的联 合控制，结果比仅装备a b $ 获得了更短的制动距离 1 2 l 。a b w i l l ，s t l u i 和s i z a k 提出了一种p i d 滑模a b s 控制器 1 9 l 。他们采用变结构滑模控制技术设计了实明寻 找最佳滑移率的寻优算法，以得到最佳的滑移率为目标实施p i d 控制。模拟结果 表明，在任何情况下，车轮滑移率都收敛并保持在最优值附近，并且控制算法能 够快速适应路面条件的变化，但该控制算法要求车辆安装加速度传感器，以准确 测定车体速度。 1 2 5 模糊控制和神经网络控制 模糊控制和神经网络控制都属于智能控制的范畴。智能控制是控制理论发展 和高级阶段，它主要用来解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题， 适用于具有以f 特点的研究对象m l ： i ) 不确定型的模型：对象模型未知或知之甚少，或者模型的结构和参数_ 3 能 在很大范围内变化。 2 ) 高度的非线性：在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟，非线性控 制理论还很不成熟。采用智能控制的方法往往可以较好地解决非线性系统的挖制 问题。 3 ) 复杂的任务要求：对于智能控制系统，任务的要求往往比较复杂。 最近，国外的汽车制造商对模糊控制和神经网络控制在车辆控制方面的应用 显示出浓厚的兴趣。日产( n i s s a n ) 公司已经成为自动变速器和防抱制动系统纠- 了模糊控制器。菲亚特( f i a t ) 和三菱( m i t s u b i s h i ) 公司也开了类似的产。铀。 福特( f o r dm o t o r ) 公司和本田( h o n d a ) 公司也已经开始了神经网络和模糊技术 在车辆动态特性自动控制中的应用研究口”。 g e o r gf m a u e r 口2 l 等设计的a b s 模糊控制器，酋先由滑移率预测器根据最近 测得的车轮移率和制动力矩的采样值推理出由于系统滞后引起的预估滑移率，通 过实时分析滑移率和制动力矩的关系辩识当前的路面条件，将路面条件、滑移率、 预估滑移率和制动力矩作为模糊逻辑控制器的输入，在不同的路面条件、滑移率、 预估滑移率和制动力矩作为模糊控制器的输出量表示所施加的力矩。他们分别采 用离散控制压力执行机构和能够产生连续制动压力变化的执行机构，住具有非线 性弹性悬架的四分之一车辆模型上进行了模拟。一系列的模拟表明，剩1 内部噪声 信号很不敏感，能快速适应路面条件的变化，具有很强的鲁棒性，但是文中没有 阐述制动力矩和滑移率的获得方法。 m a r ka k e y 【2 5 设计的模糊控制器采用了七个逻辑变量，设计了三个控制规则 集。第一个规则集用于根据前一时刻的电磁阀状态、角加速度极值、角加速度、 车速以及前一时刻的防抱相位确定当前的防抱相位；第二个规则集根据当前相化、 角加速度和角加速度极值决定电磁阀的状态，最后第三个规则集根掘电磁阎的状 态、循环周期和制动压力确定制动压力的调节量。仿真结果表明达到了缩短制动 距离、提高系统鲁棒性和增强控制系统开发灵活性的目的。但是该控制器需要测 量多个输入变量，过多的控制变量使得控制器过于复杂，实施时难以调试。 k u e o n 采用多种技术，例如卡尔曼滤波、滑模控制、模糊逻辑和神经网络， 设计了防抱制动控制器。但是他没有证明模糊一滑模控制器比模糊控制器有何 优点，而目弛设计的神经网络控制器只是用来模仿模糊一滑模控制器，控制器没 有体现出神经网络在控制过程中的自学功能。 o h n o 等对客车开发了自动制动神经控制系统。该系统包括三部分：期望模式 发生器、神经网络自适应控制器和制动器执行机构【，”。期望模式发生器以最小冲 击即车辆加速度变化率的平方最小为准则产生平滑的减速度模式，将该标准期望 车辆减速度和速度模式分别表示为时间的三阶和四阶多项式，多项式的系数 妇最 大减速度、初始车速和行驶距离决定。神经网络自适应控制器由三层前馈神经网 络和比例反馈控制器组成。期望减速度和速度输入神经网络，产生电磁阀电流信 号；期望车速和当前车速输入比例反馈控制器，产生辅助的电磁阀电流信号，两 者共同驱动制动系统。在客车上的试验证明，经2 0 个学习循环之后，神经网络控 制器的误差几乎减为零，训练好的神经网络控制器j l 乎与反馈控制器无关。试验 同时证明神经网络控制器自适应于车重和路面坡度的变化。但是在计算期望速度 和加速度模：式时，由于作者没有考虑个重要的因素一路面条件，控制器不能在 所有路况下均能获得较佳的控制效果。另外，在车辆载荷和路面条件频繁变化的 条件下，神经网络没有足够的时间进行训练，以致神经网络控制器失去作用，而 且该控制器会将驾驶员的轻微制动作为紧急制动来控制，影响了制动舒适性。 我国程军采用基于车轮滑移率的连续控制系统和基于车轮角加减速度及参 考滑移率的非连续控制系统进行了模拟研究”。连续控制系统以车轮滑移率及其 变化率为控制输入量，制动气压为输出量。模拟结果表时模糊控制具有比p t d 控 制更强的鲁棒性。非连续控制系统以前一时刻的防抱相位、车轮滑移率和减速度 作为输入量，以防抱相位作为输出量，防抱相位与电磁阀的控制状态相剥应，不 同的路面和制动初速度在模糊化时调整量化因子可以在各种工况下得到合适的防 抱循环。模拟结果表明在高、中、低三种附着系数路况下的防抱循环特征基本相 同。但是，该文件没有阐述路面状况的识别方法和量化因子的调整规律，只是提 出了一个初步的模型。另外，胡国亮以滑移率偏差和偏差变化率用为模糊控制器 的输入，以制动力矩阵作为控制输出设计了a b s 的模糊控制器，用多谱勒雷达测 速仪测量车体速度计算滑移率，实验结果表明模糊控制器具有很好的性能 2 6 1 。 显然，该方法实施成本太高，缺乏实用性。 浙江大学吕红兵采用基于参考模型的神经网络控制方法设计了a b s 控制器， 神经网络控制器的输入量是滑移率、车辆速度、车轮速度和参考滑移率输入，输 出是制动力矩，控制器由4 个节点的输入层和具有2 0 和2 5 个节点的隐含层和1 个节点的输出层构成f 2 “。模拟结果表明神经网络控制器可以获得接近理想的响应 轨迹，在路面突变的情况下也能提供满意的滑移率响应时间。该文没有考虑系统 的实时性，但是采用的神经网络规模较大，很难满足a b 8 系统所要求的响应速度。 1 3 本文研究的目的及意义 随着国民经济的快速发展，汽车的保有辆迅速上升。同时，交通和科技的不 断进步，汽车的行驶速度得以不断提高，这导致交通事故日益频繁，从而高速下 汽车制动的安全性越来越受到人们的关注。作为能够提高汽车制动安全性的a b 8 装置，也逐步成为汽车的标准配置。目前欧美各国的汽车制造商都将a b s 装置作 为出厂新车的标准配置，并制定了严格的a b 8 标准法规。我国在这方面的发展较 为落后，装备a b s 的汽车目前仍然是少数，这不但增加了交通安全的隐患，也不 能满足人们对汽车安全、舒适性的要求。根据国外a b s 系统的应用形势和国内对 a b s 装置的要求，国产车型配备a b s 装置已势在必行。2 0 0 5 年，幽家将颁布副内 车辆强制安装a b s 的法规，a b s 的研发具有一个巨大的潜在市场。本义列江淮 h f c 6 7 0 0 轻型客车防抱制动系统进行计算机仿真研究，具有一定的实际意义和理 论指导价值。 1 4 本论文的主要工作 本文结合江淮汽车底盘股份有限公司的“6 7 8 2 中型客车气压制动防抱死系统 ( a b s ) 的研究与开发”项目，以本公司生产的h f c 6 7 0 0 轻型客车为开发对象，对轻 型客车的防抱制动系统进行了计算机仿真，预测在该车型上装用a b s 后的性能， 探讨在该车型上实际应用防抱制动系统的可行性。为此做了下述几方面的【：作： 1 、利用m a t l a b + s i m u i i n k 仿真软件，建立h f c 6 7 0 0 轻型客车防抱制动相关的 数学模型，主要包括整车模型、制动器模型、轮胎模型和a b s 模型数学模型。 2 、通过计算机仿真，探讨采用逻辑门限控制方法的防抱制动系统仿真，讨论 一些影响a b s 性能的相关因素及其变化时对a b s 系统工作情况的影n 向。 3 、在逻辑门限控制方法中引入模糊控制方法，加快控制过程，使汽车：获得更 好的制动性能。 4 、对防抱制动控制逻辑进行了试验研究。 第二章防抱制动系统的基本组成及工作原理 a b s 系统能够通过自动控制制动过程中车轮的运动状态，是车轮不产生抱死， 保证汽车制动时处于最佳的制动状态，即保持方向稳定性、方向可操纵性和缩短 制动距离。a b s 以车轮的运动状态为控制目标，使汽车在制动时具有最佳的制动 性能，对a b s 进行研究，就必须了解汽车制动时的制动特性。 2 1 a b s 的基本组成 a b s 系统通常由车轮轮速传感器、液压调节单元( h c u ) 、电子控制单元( e c u ) 和a b s 警示灯等组成。在不同的a b s 系统中，h c u 的结构形式和工作原理往往不 尽相同，e c u 的内部结构和控制逻辑也有很大差异。图2 1 为一种较为腆型的防 抱制动系统示意图。 图2 1 典型防抱制动系统示意圈 1 轮速传感器 轮速传感器根据电磁感应原理，将轮速变为电信号输送给e c u 。通常由与车 轮同步的传感器转子和固定在悬架匕的转速传感器两部分组成，传感器转子是 个带齿的圆环，形状很象一个直齿圆柱齿轮，只是齿的外廓形状不是渐开线形状， 而是矩形齿。转速传感器主要由永久磁铁、传感线圈和极轴组成，极轴被传感线 圈包围，并直接安装于传感器转子的上方，并保持一定的距离，同时极轴与永久 磁铁相连接。 2 液压调节单元( h c u ) 液压调节单元的功用是根据e c u 传送的信号控制制动总泵向车轮制动分泵提 供的制动液压，从而控制车轮转速。h c u 由两部分组成：一是三位电磁阀，它是 h c u 的液压控制装置，用于a b s 工作时车轮制动分泵中压力的调节，它能在制动 总泵、车轮制动分泵和凹油路之间建立联系，实现压力升高、压力保持和压力降 低的功能。二是泵电机和储液罐，当压力降低时，从车轮制动分泵流出的制动液 经过储液罐并由泵电机送回到制动总泵中。 3 电子控制单元( e c u ) 电子控制单元是攘个a b s 系统的控制中枢，它接收车轮轮速传感器送来的信 号，计算出制动时车轮的转速、车速、滑移率以及车轮加减速度等值，斯对其进 行比较、分析和判断，然后向h c u 发出控制指令，使其产生最合适的制动液压， 从而控制车轮的转速。 22 a b s 系统的类型 按照轮速传感器的数量和控制通道数可以把a b s 系统分为如下几种型式： 1 四传感器四通道式( 四轮独立控制方式) 这种型式的a b s 系统具有四个传感器和四个控制通道，f 】! _ q 个车轮独立控制， 亦即根据各车轮的需要分别控制制动压力。因此，这利一系统的制动距离和操纵性 最好，但在不对称路面上的方向稳定性不太好。这是因为作用于前后左右轮上的 制动力硝i 同，汽车偏转力矩较大，一般的驾驶员很难控制汽车的旋转。 2 传感器四通道式( 前轮独立控制，后轮选择控制方式) 浚种型式的a b s 系统前轮独立控制，后轮按选择方式控制，以易抱死的车轮 为标准，给两后轮施加相等的制动力，偏转力矩减小，驾驶员能够进行方向操作， 抑制汽车的旋转。 3 四传感器三通道式 四个传感器安装在四个车轮上，分别获得四个车轮的轮速。在该种型式中， 两个前轮仍然采用分别控制方式，两个后轮麸用一个控制通道，采用低选控制方 式，同时对两个后轮进行控制，使汽车有较好的方向稳定性。 4 四传感器二通道式 在该种型式中，采用两个传感器分别采集汽车两前轮轮速信号，用以控制两 前轮，而根据后轮的鹾个传感器信号计算出基准速度，利用对角前轮的制动液压 力控制后轮。 5 二传感器二通道式 摩托车采用这种方式，因为摩托车前后轮具有独立的液压系统。这种方式没 有电子控制单元，属于机械式a b s 。 6 一传感器一通道式 采用个传感器，同一条液压管路只控制后轮。 2 3a b s 系统的基本工作原理 a b s 系统是通过在制动时按“一定规律不断改变制动液的压力使车轮不产生抱 死。制动液压力的改变过程实际上就是a b s 系统控制方法的实施过程，也就是 a b s 系统的基本工作原理。下面以基于车轮加减速度逻辑门限值的控制方法对直 线单路面的制动控制过程为例( 如图2 2 所示) ，浇明a b s 的基本工作原理。 l r 一1 、 l 目 保压信号 l 升压信号 减压信号、 露 憾存爨爨熬燃 时间 图22 基于车轮加减速度逻辑门限值控制方法的a b s 系统油压控制循环幽 汽车开始制动时，驾驶员踩下制动踏板，制动管路中油压由零开始上引，制 动器使车轮上产生制动力矩，同时产生地面制动力使汽车和车轮都丌始减速。这 时a b s 系统不对制动过程进行干预，制动油压迅速上升，车轮减速度也增大。当 车轮减速度值达到规定的门限值- a 时，产生减压信号，图2 2 中点1 所示，a b s 系统开始工作，降低制动油压。由于液压制动系统的惯性，车辆减速度仍然f 降 一段时间，然后开始减小。当减速度小于门限值一a 时，图2 2 中点2 所示，”生 保压信号，a b s 保持制动油压不变，车轮由减速状态进入加速状态，车轮速度f r 始回升并靠近车速。当车轮加速度值达到设定的门限值+ a 时，图2 2 中点3 所示， 产生升压信号，a b s 使制动油压上升，车轮加速度在上- y l - - 1 段时问后升始减小， 车轮由加速状态进入减速状态，并再次进入另一个控制循环，a b s 通过这样的循 环控制过程使车轮的速度控制在一定的范围内而不产生抱死。该控制方法的关键 在于车轮加、减速度门限值的设定，合适的门限值可以使车轮的运动状态控制在 理想的范围内。 o 2 4 制动时车轮受力分析 汽车受到与行驶方向相反的外力时，才能从一定的速度制动到较小的速度或 直至停车。这个外力只能由地面和空气提供。但 _ j 于空气阻力相对较小，所以实 际上外力是由地面提供的，我们把制动过程中在轮胎与地面之间产生的与行进方 向相反的摩擦力称之为地面制动力。地面制动力愈大，制动减速度愈大，制动距 离也愈短，所以地面制动力对汽车制动性能具有决定性的影响。当左右地面制动 力不相等时，绕车辆质心产生一个旋转力矩，会使制动跑偏。 上 石、 、jl _ t 舻，口7 ”7。v 一。7 ，节 fx 图2 3 车轮在制动时受力状况 图2 3 中滚动阻力偶矩和减速时的惯性力、惯性力偶矩均忽略不计。肘。为 车轮制动器中的摩擦力矩，单位为v t i ，只为地面制动力，f 。为车轴对车轮的 推力，f 为地面对车轮的法向反作用力，为车轮的垂直载荷，其单位均为。 r 为车轮半径，单位为m 。 当制动踏板力较小时，由力矩平衡显然有 f ：丝( h ) j r 地面制动力f 是使汽车制动而减速行驶的外力，但是地面制动力取决于两个 摩擦副的摩擦力：一个是制动器内制动摩擦片与制动鼓或制动盘问的摩擦力： 。 个是轮胎与地面间的摩擦力，即附着力。 在轮胎周缘克服制动器摩擦力所需的力称为制动器制动力。相当于把汽车架 离地面，踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。 制动器制动力一可由下式确定： r = 二= 尘2 ) ” r 由式( 2 - 2 ) 可知，r 仅由制动器参数确定，即取决于制动器的型式、结构尺 寸、制动器摩擦副的摩擦系数以及车轮半径，并与制动管路的压力成正比。 当制动踏板力较小时，制动器摩擦力矩刁i 大，地面与轮胎之间的摩擦力即地 面制动力，足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。车轮滚动时的地面制动力就 等于制动器制动力，且随踏板力增长成正比例增长。但地面制动力是滑动摩擦的 约束反力，其值不能超过附着力，即 t = 妒，e 、3 ) 式( 23 ) 中妒：为地面纵向附着系数，艺。为纵向附着力。 当制动器踏板力或制动系统管路压力升至某一值时，地面制动力f ：达到附着 力f 。值时，车轮即抱死不转而出现拖滑现象。压力继续升高时，制动器制动力由 于制动器摩擦力矩的增长而继续按直线关系上升。此时若车轮法向载荷为常数 地面制动力达到附着力后就不再增加。图2 4 所示为制动过程中三个力之问的天 系。 f 。f bf 。 f 。 踏板力只 图2 4 制动过程中地面制动力、制动器制动力 以及附着力之间的关系 由此可见，汽车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到地丽 附着条件的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时地面又能提供较 高的附着力时，才能获得足够大的地面制动力。因此，从缩短制动距离的角度， 如何充分利用轮胎与路面的最大附着力就十分有意义了。 25 路面附着系数与滑移率的关系 附着力的大小在数值 ：等于附着系数与垂直载荷的乘积。由于车轮接地面存 纵向和侧向的附着能力是不尽相同的，因此，附着力有纵向附着力和侧向附着力 之分；同样，附着系数也有纵向附着系数和侧向附着系数之分，它们的关系式分 别为： f。=妒xf：t 2 - & ) f 。= f pv f ： ，2 - 5 ) 式( 2 4 ) 、式( 2 5 ) 中吼、p ，分别为纵向、侧向附着系数。 附着系数表述了不同材料和花纹的轮胎与不同路面之间的特性及相互作用的 综合影响。汽车轮胎属于弹性体，制动时它与路面间的相互作用是一个